Perspektiva photon counting CT (1)

O photon counting detektorech (PCD) už jsme si něco řekli v jednom z předešlých článků. Jejich hlavní výhodou ve srovnání se standardně používanými detektory (energii integrující detektory, EID) v rtg diagnostice je jejich schopnost odlišit jednotlivá kvanta (fotony), a tím poskytnout lepší charakteristiku zeslabujícího materiálu. V současné době se PCD používají nejčastěji v mamografii, ale v posledních letech se začalo objevovat použití těchto detektorů u výzkumných CT.

U CT skenerů se využívají scintilační EID. Podstatou detekce je, že interakcí rtg fotonu ve scintilačním materiálu se vygeneruje několik světelných fotonů, jejichž energie je přeměna na elektrický signál v polovodičové diodě. Vzniklý elektrický signál je úměrný celkové energii absorbovaných fotonů (viz obr. 1A).

Na rozdíl od toho PCD nevyžaduje žádnou konverzní (scintilační) vrstvu, ale skládá se z polovodičové vrstvy o tloušťce 1,6-30 mm, na kterou je přiveden velký elektrický potenciál. Interakcí rtg fotonu v polovodičové vrstvě vznikají kladné a záporné náboje, které jsou velmi intenzivně přitahovány elektrodami, ze kterých je poté ve vyčítací elektronice generován signál. PCD tak konvertuje energii jednotlivých fotonů na elektrický signál (viz obr. 1B).

Obr. 1: Způsob detekce rtg fotonů: A) EID, B) PCD [1]

Elektrický signál vzniklý v detekčním elementu PCD je znázorněn na obr. 2. Každý foton, který interaguje v daném detekčním elementu, generuje pulz, jehož výška je úměrná deponované energii. Elektronika detektoru počítá množství pulzů s výškou větší, než je nastavený práh. Tento práh by měl být nastavený nad úrovní elektronického šumu, ale nižší než je signál interagujících rtg fotonů. Těchto prahů může být nastaveno několik, proto je PCD schopen roztřídit fotony podle energie do energetických binů, kterých je většinou 2-8 (ukázka je uvedena na obr. 3). Tímto prahováním dokáže PCD vyloučit elektronický šum, na rozdíl od EID, který integruje veškerou energii včetně elektronického šumu.

Obr. 2: Ukázka vznikajících signálů (pulzů) s různou výškou (tedy energií) a nastavení prahů

Obr. 3: Rozdělení detekovaných fotonů podle energie do energetických binů

Ačkoliv informace uvedené výše popisují PCD jako velmi vhodný až ideální detektor, existují stále důvody, proč nejsou CT detektory s PCD doposud využívané klinicky. Těmito důvody jsou zejména cross-talk a pile-up efekt. Důvody se liší v závislosti na typu detektoru, jako PCD se využívají CdTe (kadmium-tellurid), CZT (kadmium-zinek-tellurid) a křemík.

Cross-talk
Jedná se o efekt, kdy je jeden interagující foton registrován ve více detekčních elementech. V křemíkových (nízké Z) detektorech interaguje spousta fotonů Comptonovým rozptylem, takže fotony předávají pouze malou část své energie v daném detekčním elementu, šíří se dále náhodným směrem a interagují i v jiných detekčních elementech. U CdTe a CZT je však pravděpodobnost Comptonova rozptylu malá. Ale i tak může být část energie uvolněna ve formě fluorescenčního záření (fluorescenční výtěžek), které se pak absorbuje v sousedních detekčních elementech, takže opět nepříznivě ovlivňuje výsledný obraz.

Podobně nepříznivý vliv má také tzv. charge-sharing neboli sdílení náboje v sousedních detekčních elementech, což se dá také označit za určitý druh cross-talku. Dochází k němu v případech, kdy je rtg foton absorbován na rozhraní dvou detekčních elementů. Oba dva elementy detekují určitou část náboje, který produkuje signál (pulz) o určité velikosti, ale právě rozdělení náboje do dvou elementů vede ke vzniku signálu, který neodpovídá energii interagujícího rtg fotonu, což opět nepříznivě ovlivňuje výsledný obraz.

Různé typy cross-talku degradují kvalitu obrazu různými způsoby. Jednak zhoršují prostorové rozlišení (způsobují rozmazání obrazu) – detekcí fotonu ve špatném detekčním elementu, ale zhoršují také poměr kontrastu a šumu (CNR) – detekcí jednoho fotonu ve dvou detekčních elementech. Navíc se cross-talkem, který zvyšuje šum, zhoršuje i energetické rozlišení PCD.

Pile-up efekt
Detektor používaný jako PCD musí mít dostatečně rychlou odezvu, aby dokázal rozlišit jednotlivé rtg fotony. Jedná se až o několik milionů rtg fotonů dopadajících na jeden čtverečný milimetr detektoru. Právě proto je možné PCD použít pouze pro nízkodávková CT vyšetření. U běžných dávkových příkonů na CT by došlo ke vzniku tzv. pile-up efektu, kdy se signál dvou nebo více fotonů interagujících v detekčním elementu téměř ve stejném čase sumuje do jednoho pulzu o energii odpovídající součtu energií fotonů (obr. 4A). Je-li mezi dvěma interakcemi delší doba, může sice dojít k odlišení dvou fotonů, ale stále se zde může vyskytnout překrytí pulzů (obr. 4B).

Obr. 4: A – Pile-up efekt u dvou rtg fotonů, B – registraci dvou fotonů, avšak s nepříznivým vlivem na výsledný signál

Stejně jako cross-talk, tak i pile-up efekt nepříznivě ovlivňuje kvalitu obrazu. Nižší počet registrovaných fotonů (dva nebo více fotonů je při pile-up efektu vyhodnoceno jako jeden) zvyšuje šum, protože máme celkově nižší počet registrovaných fotonů. Podobně je ovlivněno také energetické rozlišení detektoru. Protože se pile-up efekt vyskytuje u oblastí, kde jsou vyšší četnosti rtg fotonů, nemusí tím být ovlivněny ty oblasti, kde jsou nižší četnosti rtg fotonů. K degradaci kvality obrazu pak dochází právě u oblastí s vyššími četnostmi fotonů, což je např. oblast plic. Řešením by byla konstrukce menších detekčních elementů s rychlejšími odezvami, ale tím opět vzroste vliv charge-sharingu.

V dnešní době se PCD standardně využívají u PET a SPECT modalit, dostupný je také jeden komerčně poskytovaný systém pro mamografii. Ve všech těchto případech se však jedná o podstatně menší četnosti rtg fotonů než v případě CT. Ještě více o PCD si řekneme v následujícím článku.

Použitá literatura
Willemink MJ, Persson M, Pourmorteza A, Pelc NJ, Fleischmann D. Photon-counting CT: Technical principles and clinical prospects. Radiology 2018; 289: 293-312.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *